내핵

3. 구성

외핵에 비해 내핵에서 P파의 속도가 약 10% 빨라지는 현상을 통해 내핵이 고체임을 추정할 수 있다. PKP 위상보다 PKIKP 위상이 먼저 도착하는 것이 그 증거이다.^[9]

내핵 구성에 대한 직접적인 증거는 아직 확실하지 않지만, 주로 철-니켈 합금으로 구성되어 있을 것으로 예상된다. 그러나 최근에는 높은 압력으로 인한 초이온 상태라는 주장과 함께 규소, 산소, 황과 같은 가벼운 원소도 일부 압축된 상태로 존재할 수 있다는 주장이 제기되었다. D. Alfè 등의 계산에 따르면 액체 외핵에는 8~13%의 산소가 포함되어 있지만, 철이 결정화되어 내핵을 형성하면서 산소는 대부분 액체에 남는다.

실험 데이터와 지진파 속도 분석에 따르면, 내핵은 육방 조밀 구조를 가진 금속 결정 형태인 ε-철로 구성되어 있을 가능성이 크다. 이 구조는 소량의 니켈 및 기타 원소를 포함할 수 있다.

4. 물리적 특성

내핵은 반지름이 약 1221km로 지구 반지름의 약 19%, 달 반지름의 70%에 해당한다. 부피는 약 76억 km³로 지구 전체 부피의 0.69%를 차지한다. 모양은 회전하는 타원체에 가깝지만 지구 표면보다 더 구형이며, 편평도는 1/400과 1/416 사이로 추정된다. 이는 지구 축을 따른 반지름이 적도 반지름보다 약 3km 짧다는 것을 의미한다. 내핵 표면에서의 중력 가속도는 4.3 m/s²로 계산되는데, 이는 지구 표면 값(9.8 m/s²)의 절반보다 작다.

2010년 브루스 버핏(Bruce Buffett)은 액체 외핵의 평균 자기장이 약 2.5밀리테슬라(mT)로, 표면 최대 강도의 약 40배에 달한다고 추정했다. 그는 달과 태양이 지구 표면의 바다에서와 마찬가지로 액체 외핵에서도 조석을 일으킨다는 사실에서 시작했다. 국지적인 자기장을 통과하는 액체의 움직임이 전류를 생성하고, 이는 옴의 법칙에 따라 열로 에너지를 소산시킨다. 이러한 소산은 조석 운동을 약화시키고, 이전에 감지된 지구의 세차 운동 이상 현상을 설명한다. 그는 후자의 효과 크기로부터 자기장을 계산할 수 있었다. 내핵 내부의 자기장도 이와 유사한 강도를 가질 것으로 추정된다.

지진파가 핵을 고체처럼 통과하지만, 측정만으로는 고체 물질과 극도로 점성이 높은 물질을 구별할 수 없다. 따라서 일부 과학자들은 내핵에 느린 대류가 있을 수 있는지 고려했는데, 이는 맨틀에 존재한다고 여겨지는 현상이다. 이는 지진 연구에서 감지된 이방성에 대한 설명이 될 수 있다. 2009년 B. Buffett는 내핵의 점도를 10¹⁸ Pa·s로 추정했는데, 이는 물의 점성보다 100경 배, 피치의 점성보다 10억 배 이상이다.

4. 1. 밀도와 온도

4. 2. 크기 및 모양

4. 3. 압력 및 중력

4. 4. 자기장

4. 5. 점성

5. 구조

내핵의 구조는 여러 연구를 통해 밝혀지고 있다. 1983년 G. 푸피네 등은 내핵을 통과하는 P파(PKIKP파)의 주행 시간을 관찰했는데, 북-남 직선 경로가 적도 평면의 직선 경로보다 약 2초 더 짧다는 것을 발견했다. 지구의 찌그러짐과 지각 및 상부 맨틀의 불균질성을 고려하더라도, 이는 P파가 내핵을 북-남 방향으로 약 1% 더 빠르게 통과한다는 것을 의미한다.

이러한 P파 속도 이방성은 이후 더 많은 지진 데이터와 지구 전체의 자유 진동 연구를 통해 확인되었다. 2017년 다니엘 프로스트와 바바라 로마노위츠는 그 값이 0.5%에서 1.5% 사이임을 확인했다.

내핵의 P파 속도가 남북축에 비스듬하거나 수직인 방향에서 더 빠르다는 주장도 있었지만, 프로스트와 로마노위츠는 최대 속도 방향이 지구 자전축에 가깝다고 반박했다.

이방성의 원인으로는 ε-철의 육방 조밀 구조(hcp) 결정에서 압력파 전파가 강한 비등방성을 보이며, 내핵 결정이 남북 방향으로 정렬되는 경향이 있다는 점이 지적된다. 이러한 부분 정렬을 유발할 수 있는 현상으로는 내핵 내부의 느린 흐름(크리프), 열 대류, 결정 성장 속도 차이, 자기장의 변화 등이 제시되었다.

내핵은 여러 층으로 구성되어 있다는 주장도 있다. 2002년 M. 이시이와 A. 지에보스키는 "가장 안쪽의 내핵"(IMIC)의 존재를 제시했다. 2019년까지 IMIC의 특징과 반경은 명확하게 밝혀지지 않았지만, 2018년 A. 왕과 X. 송은 세 개의 층으로 구성된 내핵 모델을 제안하기도 했다. 2023년에는 "과거의 중요한 지구적 사건의 화석 기록"일 수 있는 "비등방성적으로 뚜렷한 가장 안쪽의 내핵"과 약하게 비등방성적인 외부 층으로의 전이에 대한 새로운 증거가 보고되었다.^[4]

내핵 물질의 이방성이 남북 방향으로 정렬되어 있으면서도, 내핵의 "동쪽" 반구가 "서쪽" 반구보다 더 뚜렷하다는 주장도 있었다. 그러나 2017년 프로스트와 로마노위치는 데이터가 약한 이방성만을 보여주며 동서 방향 변화의 명확한 징후는 없다고 주장했다.

5. 1. 축 정렬 이방성

5. 2. 비축 이방성

5. 3. 이방성의 원인

• 내핵 내부의 느린 흐름(크리프): 적도에서 극으로 또는 그 반대로 내부 코어 내부의 느린 흐름(크리프)이 발생하면 결정이 흐름 방향에 따라 부분적으로 재배향된다. 1996년 S. 요시다 외 연구진은 이러한 흐름이 극지방보다 적도에서 더 높은 속도로 응고되기 때문에 발생할 수 있다고 제안했다. 그러면 적도에서 극으로의 흐름이 내부 코어에 설정되어 표면의 정역학적 평형을 복원한다.
• 열 대류: 내부 코어 내부의 느린 열 대류에 의해 필요한 흐름이 발생할 수 있다. T. 유쿠타케는 1998년에 그러한 대류 운동이 일어날 가능성이 낮다고 주장했다. 그러나 B. 버핏은 2009년에 내부 코어의 점도를 추정하여 그러한 대류가 특히 코어가 더 작았을 때 발생할 수 있다고 밝혔다.
• 결정 성장 속도 차이: 1997년 M. 버그만은 비등방성이 철 결정이 냉각 열 흐름의 방향과 결정축이 정렬될 때 더 빠르게 성장하는 경향 때문이라고 제안했다. 그는 내부 코어에서 나오는 열 흐름이 방사형 방향으로 치우칠 것이라고 제안했다.
• 자기장의 변화: 1998년 S. 카라토는 자기장의 변화가 시간이 지남에 따라 내부 코어를 천천히 변형시킬 수도 있다고 제안했다.

5. 4. 다층 구조

5. 5. 횡적 변화

6. 데이터 출처

지구 내핵의 물리적 특성에 대한 대부분의 정보는 내핵을 통과하는 지진파를 분석하여 얻어진다. 깊은 지진은 지구 표면에서 30km 이상 떨어진 곳에서 발생하며, 전 세계의 지진계에서 기록된다.

지진파에는 P파(종파)와 S파(횡파)가 있으며, S파는 고정된 탄성 고체에서만 전파될 수 있다. PKiKP파(외핵을 통과하고 내핵 경계에서 반사되는 P파)와 PKIKP파(내핵을 통과하는 P파)는 내핵 연구에 특히 중요하다. P파는 내핵과 외핵 사이의 경계에서 S파로 변환될 수 있고, 그 반대도 가능하다. PKJKP파는 PKIKP파와 유사하지만, 내핵에 들어갈 때 S파로 변환되어 S파(J)로 통과하고, 내핵에서 나올 때 다시 P파로 변환된다. 이러한 현상은 내핵이 S파를 전파할 수 있으며, 따라서 고체임을 나타내는 중요한 증거이다.

기타 출처는 다음과 같다.

• 지구의 자기장은 주로 외핵의 유체와 전류에 의해 생성되는 것으로 보이지만, 이러한 전류는 고체 내핵의 존재와 내핵에서 흘러나오는 열에 의해 강력한 영향을 받는다.
• 지구의 질량, 중력장, 각운동량 관성은 모두 내층의 밀도와 크기에 영향을 받는다.
• 대규모 지진이 발생하여 행성이 종처럼 "울릴" 때, 지구 전체의 자연 진동수와 모드는 내층의 밀도, 크기 및 모양에 크게 의존한다.

6. 1. 지진파

6. 2. 기타 출처

• 지구의 자기장은 주로 외핵의 유체와 전류에 의해 생성되는 것으로 보이지만, 이러한 전류는 고체 내핵의 존재와 내핵에서 흘러나오는 열에 의해 강력한 영향을 받는다. (내핵은 철로 구성되어 있지만, 큐리 온도 이상이기 때문에 강자성이 아니다.)
• 지구의 질량, 중력장, 각운동량 관성은 모두 내층의 밀도와 크기에 영향을 받는다.
• 대규모 지진이 발생하여 행성이 종처럼 "울릴" 때, 지구 전체의 자연 진동수와 모드는 내층의 밀도, 크기 및 모양에 크게 의존한다.

7. 생성 및 성장

8. 역학

내핵은 지구의 고체 맨틀에 단단하게 연결되어 있지 않기 때문에, 나머지 지구보다 약간 더 빠르거나 느리게 회전할 가능성이 오랫동안 제기되어 왔다. 1990년대에 지진학자들은 내핵을 통과하는 지진파의 특성 변화를 관찰하여 이와 같은 내핵 초회전을 감지했다고 주장했다. 수십 년에 걸쳐 내핵은 특정 방향으로 파동을 더 빠르게 전달하는 특성을 보였다. 1996년, 쏭(X. Song)과 리차드(P. Richards)는 맨틀에 대한 내핵의 "초회전"을 연간 약 1도로 추정했다. 2005년, 그들은 장(J. Zhang)과 함께 "지진 이중선" (수년 간격을 두고 지구 반대편의 동일한 위치에서 발생한 지진을 동일한 관측소에서 기록한 것)의 기록을 비교하여 그 추정치를 연간 0.3~0.5도로 수정했다. 2023년, 내핵이 2009년경부터 행성 표면보다 더 빠르게 회전하는 것을 멈췄으며, 현재는 더 느리게 회전하고 있을 가능성이 있다는 보고가 있었다. 이것이 큰 영향을 미치지는 않을 것으로 보이며, 진동의 한 주기는 약 70년으로 추정되는데, 이는 "특히 지구 자전 속도와 자기장의 변화"와 같은 다른 여러 지구물리학적 주기와 일치한다.^[5][6]

9. 나이

내핵의 나이는 지구 냉각에 대한 열역학적 모델링과 고지자기 증거 분석이라는 두 가지 주요 접근 방식을 통해 추정할 수 있다. 열역학적 모델링은 핵-맨틀 경계(CMB)에서의 열 흐름을 제약하여 지구 냉각을 모델링하는 방식이고, 고지자기 증거 분석은 다양한 시기에 형성된 암석에 갇힌 지구 자기장의 역사적 변화를 분석하는 방식이다. 이러한 방법으로 추정된 내핵의 나이는 연구마다 다르며, 0.5억 년에서 42억 년까지 다양하다.

2011년, 스미르노프 등은 신시생대(28억~25억 년 전)와 원생대(25억~5억 4100만 년 전) 암석의 고지자기 분석 결과, 신시생대 지자기장이 그 이후보다 자기 쌍극자에 더 가까웠다는 것을 발견했다. 연구진은 이러한 변화가 35억~20억 년 전에 고체 내핵이 성장했기 때문일 수 있다고 해석했다.

2015년, 빅긴 등은 선캄브리아대 표본 분석을 통해 10억~15억 년 전 지구 자기장 강도와 분산이 크게 증가한 것을 발견했다. 연구진은 이것이 지구 고체 내핵 탄생 때문일 수 있다고 추측했다.

2019년, 보노 등은 에디아카라기 시대(약 5억 6500만 년 전) 암석 표본 분석 결과, 지자기장이 유례없이 낮은 강도와 두 개의 뚜렷한 방향을 보였다는 것을 발견했다. 연구진은 잦은 지자기 역전 증거와 함께 이러한 현상이 내핵 형성이 5억 년 전 시작되었기 때문일 수 있다고 추측했다.

참조

_[1] 웹사이트 Earth's Interior https://nationalgeog[...] 2021-11-17
_[2] 웹사이트 From core to crust: Defining Earth's layers https://www.calacade[...]
_[3] 웹사이트 The Thinnest Layer of the Earth https://zmescience.c[...] 2021-11-17
_[4] 뉴스 Scientists have discovered a new core at the center of the Earth https://www.washingt[...] 2023-03-08
_[5] 뉴스 Earth's inner core seems to be slowing its spin https://www.washingt[...] 2023-02-16
_[6] 논문 Multidecadal variation of the Earth's inner-core rotation https://www.research[...] 2023-02
_[7] 논문 Early Cambrian renewal of the geodynamo and the origin of inner core structure 2022-07-19
_[8] 논문 Late Cambrian geomagnetic instability after the onset of inner core nucleation 2023-07-31
_[9] 간행물 地球中心部の物質を突き止める -内核と同じ超高圧高温環境で実験- https://www.jamstec.[...] 東京工業大学・独立行政法人海洋研究開発機構地球内部ダイナミクス領域 ・財団法人高輝度光科学研究センター 2010-10-14
_[10] 웹사이트 コアのダイナミクス http://www.eps.s.u-t[...]
_[11] 뉴스 地球の内核、逆回転し始めた可能性 英科学誌に論文 https://www.afpbb.co[...] 2023-01-25
_[12] 웹사이트 コアのはなし http://staff.aist.go[...]
_[13] 논문 Core Project; 固体惑星深部の直接探査計画 1992